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Die Erfindung bezieht sich auf ein Elektroheizgerät gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches.
Aus der JP 200106543 A und JP 9084694 A sind Elektroheizgeräte mit Gleichrichterkreis bekannt, die jedoch keine Hinweise auf die Vermeidung von Rückkopplungen auf das öffentliche Stromnetz offenbaren.
Bei den meisten bekannten Elektroheizgeräten ist der Steuerkreis durch Triac-Bausteine gebildet, die zu Schaltgruppen zusammengefasst werden müssen und nach dem PhasenNulldurchgangs-Steuerungsprinzip arbeiten und bei einem Teillastbetrieb den Stromdurchgang erst nach dem Nulldurchgang einer jeden Phase ermöglichen.
Dabei sind die Triac-Schaltmodule eingangsseitig an das Drehstromnetz angeschlossen und ausgangsseitig mit mindestens drei Heizwendeln verbunden. Die Steuerung der Temperatur in den Heizwendeln erfolgt durch den Durchlass oder Abschnitt der +/- Stromhalbwellen des sinusförmigen Stromes, der vom Netz über die Triac-Module zu den Heizwiderständen fliesst.
Dabei ergibt sich jedoch das Problem, dass es aus Gründen der Stabilität des Netzes, bzw. der Vermeidung von zu grossen Schwankungen der Netzspannung für andere Verbraucher nicht ohne weiteres möglich ist, beliebig viele +/- Stromhalbwellen abzuschneiden und plötzlich alle folgenden +/- Stromalteranzen fliessen zu lassen, um die elektrische Leistung des Heizgerätes nach oben zu regeln. Dies ist dadurch begründet, dass im Falle einer sehr starken und schnellen Änderung der elektrischen Leistung eines relativ grossen Verbrauchers, wie eben ein Heizgerät, in dem speisenden Versorgungsnetz eine ebenso rasche Änderung der Spannungsabfälle auftritt, was zu Störungen anderer Verbraucher führen kann. Solche Störungen werden meist als "Flicker" bezeichnet, da solche Störungen zuerst bei Beleuchtungsanlagen wahrgenommen wurden.
Da die Flickererzeugung durch Normen geregelt und nur in einem geringen Ausmass zulässig ist, muss die Regelgeschwindigkeit bei der Leistungssteuerung von Heizgeräten durch eine sehr aufwendige Softwaresteuerung (Puls-Muster-Steuerung) begrenzt werden. Dies ist jedoch mit einem sehr erheblichen Aufwand verbunden. Dazu kommt noch, dass bei einem üblichen Dreiphasen-Netz zumindest drei Heizwiderstände bei solchen herkömmlichen Heizgeräten vorgesehen werden müssen.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Elektroheizgerät der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei dem auch bei schnellen Steuer- und Regelungsvorgängen keine nennenswerten Rückwirkungen auf das speisende Netz auftreten.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Elektroheizgerät der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruches erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ist auf einfache Weise sichergestellt, dass die Auswirkungen von raschen Steuer- und Regelvorgängen durch die Siebschaltung sehr stark gedämpft werden und daher keine nennenswerten Flicker im Netz auftreten.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, die Merkmale des Anspruches 4 vorzusehen, da bei einem derartigen Aufbau der Siebschaltung eine besonders gute Glättung des erzeugten Gleichstromes und eine sehr gute Dämpfung allfälliger Rückwirkungen auf das Netz sichergestellt ist.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil einer in konstruktiver Hinsicht sehr einfachen Lösung. Ausserdem wird dadurch auch eine sehr kompakte und auch flache Bauweise des Elektroheizgerätes ermöglicht.
Demgegenüber ergeben die Merkmale des Anspruchs 3 den Vorteil vielfältiger Bauformen mit verschiedenen Leistungsgrössen bei geringer Variantenvielfalt der Heizkörper.
Durch die Merkmale des Anspruches 5 ergibt sich eine sehr einfache schaltungstechnische Lösung. Dabei ist vorteilhafterweise eine 2-pulsige Brücke aus vier IGBT-Leistungstransistoren vorgesehen, die paarweise gezündet und gelöscht werden. Dabei kann die durch die Ventilschaltgruppe fliessende Leistung sehr einfach gesteuert werden, wobei dem Heizkörper +/- Rechteckimpulse zugeführt werden, deren Amplituden gleich der Strom-/Spannungsamplitude des vom Gleichrichterkreis bereitgestellten Gleichstromes ist und deren Breite von den Zünd-/Löschzeiten oder anders ausgedrückt von den Leit-/Pausezeiten der Transistoren bestimmt sind. Diese können durch die Stellgrössen (n) beeinflusst werden.
Eine solche Pulsweiten-Modulation die mit hoher Frequenz erfolgen kann, führt auch zu einer sehr dynamischen Regelung.
Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 6 kann der Skineffekt genutzt werden.
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Dabei kann eine hohe Schaltfrequenz vorgesehen werden. In einem solchen Fall tritt im Heizkörper, der meist als Drahtwendel ausgebildet ist, der Skineffekt auf, durch den der Strom in die äusseren Bereiche des Drahtes verdrängt wird, wodurch in diesem Bereich eine erhöhte Stromdichte auftritt und es zu einer stärkeren Erwärmung des Drahtes im seiner Oberfläche nahen Bereich kommt. Dadurch kommt es auch zu einem besseren Wärmeübergang vom Heizkörper zum Wasser eines Durchlauferhitzers, da die Temperaturdifferenz zwischen dem Draht des Heizkörpers und dem Wasser höher als bei einer Beaufschlagung des Heizkörpers mit Gleichstrom aufgrund des Skineffektes ist.
Durch die vorgeschlagene Lösung ist auch eine grössere dynamische Regelung der elektrischen Leistung und dadurch der Temperatur des Heizgerätes möglich. Dies ist durch die Energiespeicher-Bausteine im Gleichrichterkreis möglich, die kurzzeitige Spannungseinbrüche überbrücken können und damit die Erzeugung von Flickern im Netz weitgehend unterbinden.
Der Impulsschaltkreis kann auch mit Thyristoren oder MOSFET-Leistungstransistoren oder andere Leistungshalbleiter oder einer Kombination solcher Bauteile aufgebaut sein. Der Impulsschaltkreis kann aber auch durch einen Chopperbaustein gebildet sein, der vorzugsweise nur einen einzigen Halbleiter-Leistungsbaustein aufweist. Ein solcher Chopper verhält sich ähnlich wie die oben beschriebenen Brücken, erzeugt aber nur positive oder negative Rechteckimpulse.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die ein Schaltbild eines erfindungsgemässen Heizgerätes zeigt.
Das Heizgerät ist an einem dreiphasigen Drehstromnetz N angeschlossen. Dabei ist an dem Netz N ein Gleichrichterkreis 1 angeschlossen, der eine aus sechs Dioden D aufgebaute Gleichrichterbrücke aufweist, an die eine Siebschaltung S ausgangsseitig angeschlossen ist.
Diese Siebschaltung S weist eine durch einen Kondensator C und einen zu diesem in Reihe geschalteten Widerstand R gebildete Reihenschaltung auf, die parallel zur Gleichrichterbrücke geschaltet ist. Weiters weist die Siebschaltung S noch eine Glättungsdrossel 2 auf, die einem Impulsschaltkreis 3 vorgeschaltet ist.
Dieser Impulsschaltkreis 3 ist nur schematisch dargestellt und ist eingangsseitig mit der Gleichrichterbrücke verbunden, wobei, wie bereits erwähnt, die Glättungsdrossel 2 zwischengeschaltet ist.
Der Impulsschaltkreis 3 ist vorzugsweise aus einer Brückenschaltung aus vier IGBT- Transistoren aufgebaut, die paarweise gezündet, bzw. gelöscht werden. Dabei erfolgt die Ansteuerung des Impulsschaltkreises 3 über einen uP-Regler 4, der eingangsseitig mit einer Sensoranordnung 6 verbunden ist, mit der die Ein- und Auslauftemperaturen TEin, TAus und der Wasserdurchfluss erfassbar sind. Ausserdem ist in die Sensoranordnung 6 noch ein Sollwertgeber Tson für die Solltemperatur des Wassers integriert.
An den Impulsschaltkreis 3 ist ein Heizkörper 7, vorzugsweise in Form einer Heizwendel, angeschlossen.
Die Leistungssteuerung für den Heizkörper 7 erfolgt durch Änderung der Zünd- und Löschzeiten des Impulsschaltkreises 3 bzw. durch dessen Bauteile durch den uP-Regter4.
Beträgt die Ansteuer-Frequenz des Impulsschaltkreises 3 durch den uP-Regler 4 mehr als 1kHz so macht sich aufgrund der rasch aufeinanderfolgenden, zum Heizkörper 7 gelangenden Gleichstromimpulse der Skineffekt bemerkbar, durch den die Stromdichte im nahe der Oberfläche des Drahtes des Heizkörpers 7 gelegenen Bereich ansteigt und im innersten Bereich des Drahtes abnimmt. Dadurch kommt es zu einer ungleichmässigen Verteilung der Temperatur, wobei diese gegen die äusseren Bereiche des Drahtes zu höher wird. Dadurch ergibt sich eine entsprechend höhere Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche des Drahtes des Heizkörpers 7 und dem diesen umgebenden Wassers, als dies bei einer Beaufschlagung des Heizkörpers 7 mit geglättetem Gleichstrom der Fall wäre. Dadurch kommt es zu einer Reduzierung der Trägheit.
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